1900年6月16日上午，战斗在塘沽车站和军粮城车站相继打响。八百名日军在伊藤少佐带领下企图偷袭塘沽车站，被太平军哨兵发现，开枪示警，全军惊觉，日军开枪，偷袭变为强攻。军粮城车站这边，西科戈夫少尉指挥一千二百五十名俄军和法军绕过壕沟向车站大门摸去，接果被黑夜中的太平军暗哨发现，一枪击中一名法军，俄、法军惊恐后逃，太平军俱起防范，西科戈夫少尉见太平军并未追来，就集合士兵返回进攻车站大门，一时军粮城车站枪声大作。接着，六百名英德俄官兵分批在塘沽登陆，准备从侧后方进攻大沽炮台。同一天，各国舰队司令还命令停泊在塘沽车站附近的日舰“亚打告”号及停泊在海关附近的法舰“里昂”号和德舰“伊尔的斯”号炮击塘沽炮台群和太平军营垒，全力配合日军夺取塘沽车站。停泊在军粮城附近的俄罗斯军舰“海龙”号以及巡洋舰“基立亚克”号也向岸上太平军阵地开炮，配合陆军进攻。
大沽口附近海上，联军先遣舰队共五十舰，以炮舰和驱逐舰为主，排水量最大不过1200吨，最小的只有400吨。舰上搭载了由水兵和陆军组成的陆战队，大约有2900余名，德国雨果·菲尔德上尉担当总指挥。这支部队分成四支，其中850名日军由葛冈上尉指挥、630名英军由哈特托里上尉指挥，230名德军、150名奥匈军和75名意大利军则由意大利谭克中尉指挥，另外还有965名俄军由斯坦科维奇中尉指挥。这支2900人的陆战部队，在战斗打响前就提前在炮台侧后方无人防守之地登陆，准备从后方背面攻击太平军炮台。
1900年6月17日凌晨一时半，俄国“吉利亚克”号、“朝鲜人”号、“海狸”号、“波布”号，英国的“阿尔及利亚”号、“牙鳕”号、“名誉”号，德国的“鸡貂”号，法国“狮子”号，日本“新赤城”号、“阳炎”号驱逐舰、炮舰和美国的“莫诺卡西”号驱逐舰等进入海河的12艘战舰直闯河口，太平军大沽口要塞总指挥罗荣光下令各炮台群开炮拦截，双方炮战开始。战斗打响后，作为先头舰的俄“吉利亚克”号炮舰遭到炮台的优先攻击，不断被炮弹击中。凌晨3时，太平军一枚炮弹准确击中了该舰弹药库，136枚备用炮弹一起爆炸，这艘1258吨炮舰立刻瘫痪在了浅滩上。该舰有8人死亡，45人受伤，几名死者都被烧成了焦炭。几乎同时，另一艘俄舰“高丽人”号也被击中燃起了大火，船上11人死亡，20人受伤。幸运的是，大火很快扑灭。“高丽人”号的203毫米舰炮抵近炮台射击，根据事先侦察情报修正舰炮角度攻击石头缝主炮台弹药库，十多发炮弹准确命中目标，奇怪的是炮台弹药库并未爆炸。原来联军侦探进不了太平军要塞，用望远镜远远只看见太平军训练时从炮台某处取弹射击，就确定该处为炮台弹药库。正常情况下的确如此，但是太平军不同，每座炮台均有两处弹药库，炮台上的为训练用常备弹药库，炮台背面营垒中隐蔽处炮台才是战时弹药库，平时不用的，所以联军侦探没有发现。现在战端一开，炮台上常备弹药库少量炮弹在最初炮击时就已打光，俄舰“高丽人”号舰炮攻击的只是一个空库而已。俄“高丽人”号驱逐舰靠得过近，被炮台上机关炮扫射，死伤一片，舵机也被击坏了，不久中炮过多沉没。德国“鸡貂”号炮舰则连续中弹17发，其中一枚榴弹炸烂了上层建筑，导致都是被弹片击穿的孔洞，该舰舰长兰茨被打断一条腿，船上有7人死亡，17人受伤。法国“狮子”号炮舰中了一枚榴弹，造成1人死亡，46人受伤。英国驱逐舰“牙鳕”号、“名誉”负责偷袭水师营码头，“牙鳕”号在偷袭中被新城副炮台击中了一枚280毫米炮弹起火，俄国“海狸”号炮舰被击沉，“阿尔及利亚”号炮舰中炮受轻伤后就落荒而逃，日舰“新赤城”号驱逐舰慌乱中搁浅，“阳炎”号驱逐舰触水雷沉没，美国的“莫诺卡西”号驱逐舰炮声一响就避得远远的完好无损。
就在炮战发生的同时，已经在大沽口附近登陆的2900余名八国联军陆战部队，从凌晨一时起就进入出击阵地，等待着联军舰队将太平军炮台打哑，然后一举冲进炮台。
联军陆战队原本以为太平军会很快放弃抵抗，但是等了很长时间，大沽口炮台的火力不但没有减弱，反而是多艘联军军舰燃起了大火。战斗打成这个样子，给这支八国联军陆战队以极大压力。在场的几个指挥官，都认为先遣舰队给炮台造成的破坏并不大，这时发动进攻必然失败，于是多数人都决定撤退。但是此时，俄军指挥官斯坦科维奇中尉却发出了非常鲁莽的宣示：“在极端情况下，即使中国的火炮没有被削弱，俄军也将独自发动进攻！”在俄军中尉不要命的态度下，其他各国的军官也不得不放弃了撤退的想法。凌晨五时，联军陆战队首先推进到了大沽口北岸两座炮台附近，与太平军守卫部队开始交火。海岸警备第一团第三营986名官兵凭借战壕和手中的五代宣武步枪及一十八挺轻机枪、九挺重机枪、37毫米步兵炮九门、40毫米小口径全自动机关炮三门、76毫米野战炮四门在炮台背面大口径火炮支援下奋起抵抗。
太平军三艘近海浅水重炮舰和五艘海巡船、二艘鱼雷艇也向监视他们的英国军舰“声誉”号和“鳕鱼”号开炮攻击。
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